CN103616738A - 一种制造具有不同焦距曲面复眼微透镜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法。通过在多组彼此电学隔离的下电极组上施加电压使静电变形薄膜受到静电力的作用而变形，由于在所述多组彼此电学隔离的下电极组上施加电压的不同，进而所述静电变形薄膜的变形量也不同，从而使获得的聚合物微透镜阵列中的微透镜具有不同的焦距。在所述聚合物微透镜阵列上旋转涂抹硅橡胶，固化后剥离，并贴在一真空小孔的表面，由于真空的作用使此硅橡胶薄膜弯曲成一个曲面，形成具有不同焦距的曲面复眼透镜。和现有的曲面复眼透镜的制造方法相比，它具有如下优点：成本低，曲面的曲率，曲面上微透镜的焦距、面径和间距可控，采用静电变形薄膜的模具能够批量生产。

Description

一种制造具有不同焦距曲面复眼微透镜的方法

技术领域

本发明涉及一种微型无源光学元件的制造方法，尤其涉及一种具有不同焦距曲面复眼微透镜的制造方法。

背景技术

在自然界中，生物复眼是由聚集在一起的一簇“小眼”所构成，通常整个复眼呈曲面结构。通过这些小眼可以将整个视场分成若干部分，每个小眼对应一定的视场角，只负责观察视场中的一小部分。接合在一起就形成了整个视场的完整图像。复眼透镜是仿生昆虫复眼的一种微型无源光学元件,具有视场角大,对运动物体的敏感性高,景深不受限制等优点。这些特性在军事、医疗成像、工程测量、检测仪器等领域均有重要的应用价值，也获得了广泛的关注。1980年，美国科学家将昆虫复眼信息原理成功地用于空对地导弹的制导；接着又研制出了一次能拍摄1329张高分辨率相片的蝇眼照相机；2000年,Tanida J领导的日本研究小组提出了名为TOMBO(Thin Observation Module by Bound Optics)的复眼成像系统；2004年,Duparre J.带领的德国研究小组同样基于同位复眼的设计理念提出并制成了人造同位复眼成像系统(Artificial Apposition CompoundEye Objective,APCO)，2012年，日本静冈大学的K.Kagawa等在医疗内窥镜前端设置复眼透镜，扩大了视场角，获得了景深更深、更为清晰的组织照片；2013年5月，自然杂志（NATURE）发表了题为“Digital cameras with designs inspiredby the arthropod eye”的论文，采用复眼透镜实现了3维的数字照相机。在国内清华大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学、中科院长春光机所等也开展了复眼透镜的研究，提出了一些针对复眼成像的成像算法。

目前常用的实现曲面复眼成像的方法是采用制作在球面基底上的均一微透镜阵列结构。微透镜阵列可将视场进行分割，每个微透镜构成一个成像通道，对应于不同的视场角，其作用相当于一个小眼。整个阵列分别对视场的不同部分成像，所有成像结果可通过位于透镜阵列之后的光电探测器阵列进行采集，最后形成完整的目标图像。

在上述方案中，由于目前的光电探测器，如CCD芯片或CMOS芯片，均是制作在平面上。如果球面上的复眼透镜具有相同的焦距，由于每个微镜头到光电探测器所在平面的距离不一样，造成大部分微镜头不能在光电探测器阵列上有效聚焦。这种现象不仅降低了成像质量，也阻碍了整个相同视角的进一步扩大，成为阻碍复眼透镜成像技术广泛应用的一个主要障碍。

解决上述技术难题的一个解决方案是在曲面上制造焦距不同的微透镜阵列，即在曲面基底上设计非均一的微透镜阵列。每个微透镜的焦长由该透镜所处位置决定，与透镜中心沿视场光线方向到光探测器的距离相吻合，从而保证处于任意位置的微透镜都能在光电探测器上获得理想的成像质量。

目前加工毫米级以上微透镜的方法主要采用金刚石钻头或激光加工模具，然后再利用模具筑模获得微透镜，制作毫米级以下的复眼透镜通只能采用一些特种的加工方法，例如离子交换法、光敏玻璃热成形法、光刻胶热熔法、光电反应刻蚀法、聚焦离子束刻蚀与沉积法等。由于这些特殊的加工方法的可控性较差，微透镜阵列形状精度难以保证，无法实现上述焦距非均一且准确可控的曲面微透镜阵列。因此加工方法成为目前制约复眼透镜成像技术获得广泛应用的一个瓶颈。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种制造具有不同焦距曲面复眼微透镜的方法，具有制造成本低，曲面的曲率、曲面上微透镜的焦距、面径和间距可控等优点。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法，主要包括制作聚合物微透镜阵列、在所述聚合物微透镜阵列上旋转涂抹硅橡胶并使硅橡胶固化形成阴模、将所述阴模贴在一真空小孔的表面，通过真空的作用使所述阴模形成曲面；

所述制作聚合物微透镜阵列的具体步骤为：采用微加工工艺在基板上制作多个单元组成的阵列,每个所述单元由至少一个下电极、腔体和覆盖在所述腔体上的静电变形薄膜组成；所述多个单元的下电极分成彼此电学隔断的多个下电极组，通过在所述多个下电极组上施加电压使所述静电变形薄膜受到静电力的作用而变形，通过改变在所述多个下电极组上施加电压的大小，就能改变所述静电变形薄膜的变形量；在所述多个下电极组上施加电压的同时将聚合物浇筑在所述多个单元组成的阵列上，聚合物凝固后，从所述多个单元组成的阵列上剥离成为聚合物微透镜阵列。

作为优选，所述基板的材料选用硅片。

作为优选，所述下电极使用光刻、金属沉积、剥离或刻蚀的细加工工艺制造于所述基板上。

作为优选，所述下电极的材料选用Au。

作为优选，所述腔体的材料选用SU-8光刻胶。

作为优选，所述腔体的形状为椭圆形、圆形、或任意多边形。

作为优选，所述电压的变化范围为100-250V。

作为优选，所述静电变形薄膜的材料选用Au。

作为优选，所述静电变形薄膜还可以增加的Cr或Ti粘附层以增加所述Au与所述腔体的粘附性。

作为优选，所述静电变形薄膜的材料选用PEDOT导电聚合物。

作为优选，所述聚合物的材料选用聚甲基丙烯酸甲酯或1:5的聚二甲基硅氧烷或紫外固化光学胶。

作为优选，所述硅橡胶的材料选用1:10的聚二甲基硅氧烷。

作为优选，通过控制所述旋转涂抹硅橡胶的旋转速度，可以控制所述阴模的厚度，从而控制所述阴模在真空作用下形成所述曲面的曲率。

综上所述，本发明提供的一种制造具有不同焦距曲面复眼微透镜的方法，具备以下优点：

1、曲面上微透镜的焦距可控。微透镜的形状由变形的静电变形薄膜复制而来,通过在下电极组施加不同的电压使静电变形薄膜的变形量不同，从而使获得的阵列中的微透镜具有不同的焦距,且焦距的长短由施加在下电极组上的电压控制。

2、曲面上微透镜的面径和间距可控。微透镜的形状由变形的静电变形薄膜复制而来，所以微透镜的面径和间距由腔体的形状和间距决定，腔体的形状通过光刻技术获得，可以设计成任意形状，且两个腔体之间的间距也由光刻版图决定，面径范围可以在5-1000μm之间选择，最小间距为1μm。

3、曲面的曲率可控。通过控制旋转涂抹硅橡胶的旋转速度，可以控制阴模的厚度。当将阴模贴在一真空小孔的表面时，由于真空的作用使阴模弯曲，阴模越薄，在真空作用下的弯曲量越大，从而获得更大的曲率。反之，阴模越厚，在真空作用下的弯曲量越小，获得的曲率越小。

4、由于采用静电变形薄膜的模具能够批量生产,具有制造成本低的优点。

附图说明

图1为较佳实施例制得的具有不同焦距的曲面复眼透镜示意图。

图2为具有不同焦距的曲面复眼透镜的垂直剖面图。

图3为较佳实施例中微细加工多个单元组成的阵列的工艺流程图，其中：

（a）为在基板表面沉积Au层；

（b）为在Au层上涂覆SU-8光刻胶，并光刻出腔体的形状；

（c）为旋转涂覆AZ4620光刻胶，以填充腔体；

（d）为通过抛光工艺暴露出腔体的上表面；

（e）在所述腔体的上表面沉积Au层，得到静电变形薄膜；

（f）通过在去胶液中浸泡、冲洗的方法去除填充腔体50的AZ4620光刻胶。

图4为较佳实施例中微细加工多个单元组成的阵列的结构示意图，其中：

（a）为制作完成的基板整体结构图；

（b）为彼此电学隔断的多个下电极组中下电极的连接关系；

（c）通过涂覆光刻胶并光刻后得到的腔体；

（d）在腔体上表面沉积金属层作为静电变形薄膜。

图5为较佳实施例中不同电压作用下静电变形薄膜的变形示意图。

图6为较佳实施例中使用微细加工的多个单元组成的阵列进行筑模的示意图。

图7为在聚合物微透镜阵列上通过旋转涂抹硅橡胶的过程。

图8为较佳实施例中聚二甲基硅氧烷的旋转涂抹速度与厚度的关系图。

图9为较佳实施例中通过真空小孔使阴模形成曲面的装置示意图。

具体实施方式

下文通过结合附图及实施例，对本发明做进一步阐述。

一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法,所涉及制造的曲面复眼透镜如图1所示，由在一曲面上分布的微透镜阵列组成。图2是图1所示的曲面复眼透镜的垂直剖面图，每个微透镜的焦距按照一定规则设置，使通过每个透镜的光线均能聚焦在曲面下的平面上。

所述一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法具体为：

1.采用微加工工艺在基板10上制作多个单元组成的阵列,每个所述单元由至少一个下电极40、腔体50和覆盖在所述腔体50上的静电变形薄膜60组成；

参考图3（a）、图4（a）、图4（b），所述基板10采用硅片,在所述基板10上热氧化生成一层二氧化硅层,通过磁控溅射在所述覆盖着二氧化硅层的基板10上沉积Au层,所述Au层的厚度在200nm,在所述Au层上旋转涂覆一层光刻胶并光刻，在图形化的光刻胶的保护下用Au腐蚀液腐蚀暴露的Au。之后去掉光刻胶，在基板10上获得由下电极40彼此连接形成的彼此电学隔断的多个下电极组70。

然后在基板10及其上的下电极40上涂覆一层SU-8光刻胶并光刻出焊盘的位置，其他部分由这层厚度在1μm的SU-8胶覆盖，这层SU-8光刻胶做为一层绝缘层，在后续施加电压时避免下电极40与导电薄膜60之间发生短路。

完成上述工艺后，继续涂覆一层SU-8光刻胶并光刻出腔体50的形状，所述腔体50的形状是正六边形，面径60μm，厚度是20μm，如图3（b）、图4（c）所示。所述腔体50的形状还可以为圆形、椭圆形或任意多边形(图上未表示)。

如图3（c）所示，涂覆AZ4620光刻胶，以填充腔体50，接着通过抛光工艺暴露出腔体50的上表面，如图3（d）所示。通过磁控溅射或电子束蒸发在所述腔体的上表面沉积Au层，所述Au层的厚度在200nm，通过光刻和腐蚀的方法去掉多组下电极40的焊盘上方的或Au层，从而得到静电变形薄膜60，获得的结构示意图如图3（e）所示。所述静电变形薄膜增加厚度为5nm的Cr或Ti粘附层以增加所述Au层与所述腔体的粘附性（图上未显示）；所述静电变形薄膜还可以由PEDOT导电聚合物制作而成（图上未显示）。

通过在去胶液中浸泡、冲洗的方法去除填充腔体50的AZ4620光刻胶，获得最终的多个单元组成的阵列结构，如附图3（f）、4（d）所示。

2.如图5所示，通过在所述多个下电极组70上施加电压，使所述静电变形薄膜60受到静电力的作用而变形，在所述多个下电极组70上分别施加100V、150V、200V、250V的电压，即可得到产生不同变形量的静电变形薄膜。

3.在所述多个下电极组70上施加电压的同时将聚合物浇筑在所述多个单元组成的阵列上，聚合物凝固后，从所述多个单元组成的阵列上剥离成为聚合物微透镜阵列80。如图6所示。

所述聚合物的材料选用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、1:5的聚二甲基硅氧烷（PDMS）或紫外固化光学胶。聚合物凝固后，从所述多个单元组成的阵列上剥离成为聚合物微透镜阵列80，由于在所述多个下电极组70上施加不同的电压使静电变形薄膜60的变形量不同，获得的所述聚合物微透镜阵列80中的微透镜具有不同的焦距。

4.在所述聚合物微透镜阵列80上旋转涂抹硅橡胶并使硅橡胶固化形成阴模90。

如图7所示，在所述聚合物微透镜阵列80上通过旋转涂抹硅橡胶，固化后剥离得到阴模90，所述硅橡胶的材料选用1:10的聚二甲基硅氧烷（PDMS）。

5.将所述阴模贴在一真空小孔的表面，通过真空的作用使所述阴模形成曲面。

如图8、图9所示，将上述获得的阴模90贴在一真空小孔100的表面，由于真空的作用使所述阴模90弯曲成一个曲面，通过控制旋转涂抹所述硅橡胶的旋转速度，可以控制所述阴模90的厚度，从而控制真空作用下形成曲面的曲率，最终形成具有不同焦距的曲面复眼透镜110。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (13)

1.一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法，主要包括制作聚合物微透镜阵列、在所述聚合物微透镜阵列上旋转涂抹硅橡胶并使硅橡胶固化形成阴模、将所述阴模贴在一真空小孔的表面，通过真空的作用使所述阴模形成曲面；

其特征在于，所述制作聚合物微透镜阵列的具体步骤为：采用微加工工艺在基板上制作多个单元组成的阵列,所述单元由至少一个下电极、腔体和覆盖在所述腔体上的静电变形薄膜组成；多个所述单元的下电极分成彼此电学隔断的多个下电极组，通过在所述多个下电极组上施加电压使所述静电变形薄膜受到静电力的作用而变形，通过改变在所述多个下电极组上施加电压的大小，就能改变所述静电变形薄膜的变形量；在所述多个下电极组上施加电压的同时将聚合物浇筑在所述多个单元组成的阵列上，聚合物凝固后，从所述多个单元组成的阵列上剥离成为聚合物微透镜阵列。

2.根据权利要求1所述的一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法，其特征在于，所述基板的材料选用硅片。

3.根据权利要求1所述的一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法，其特征在于，所述下电极使用光刻、金属沉积、剥离或刻蚀的微加工工艺制造于所述基板上。

4.根据权利要求1所述的一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法，其特征在于，所述下电极的材料选用Au。

5.根据权利要求1所述的一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法，其特征在于，所述腔体的材料选用SU-8光刻胶。

6.根据权利要求1所述的一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法，其特征在于，所述腔体的形状可以为圆形或椭圆形或任意多边形。

7.根据权利要求1所述的一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法，其特征在于，所述电压的变化范围为100-250V。

8.根据权利要求1所述的一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法，其特征在于，所述静电变形薄膜的材料选用Au。

9.根据权利要求8所述的一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法，其特征在于，所述静电变形薄膜还可以增加Cr或Ti粘附层以增加所述Au与所述腔体的粘附性。

10.根据权利要求1所述的一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法，其特征在于，所述静电变形薄膜的材料选用PEDOT导电聚合物。

11.根据权利要求1所述的一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法，其特征在于，所述聚合物的材料选用聚甲基丙烯酸甲酯或1:5的聚二甲基硅氧烷或紫外固化光学胶。

12.根据权利要求1所述的一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法，其特征在于，所述硅橡胶的材料选用1:10的聚二甲基硅氧烷。

13.根据权利要求1所述的一种制造具有不同焦距的曲面复眼微透镜的方法，其特征在于，通过控制所述旋转涂抹硅橡胶的旋转速度，可以控制所述阴模的厚度，从而控制所述阴模在真空作用下形成所述曲面的曲率。

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